珠海杧洲海域软土超大直径盾构隧道建设关键技术

彭元栋，刘 爽，曾仕琪，何 帆，曹利强，5，苏 栋，5

（1、中铁十五局集团有限公司 上海 200070；2、珠海大横琴城市新中心发展有限公司 广东珠海 519030；3、深圳大学土木与交通工程学院 深圳 518060；4、珠海市规划设计研究院 广东珠海 519000；5、滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室（深圳大学）深圳 518060）

0 引言

近年来，珠三角区域经济的迅速发展对交通运输的需求越来越大。工业园区以及经济自贸区等多功能经济型园区在此密集驻扎，以交通运输来调配整合资源难度逐渐增大，因此对区域交通系统提出了更高的要求［1］。

目前，大多数跨流域交通运输项目是通过水下隧道进行修建，盾构法因其施工过程中相对安全、对地层扰动较小和挖掘速度相对较快等优势成为多数水下隧道的施工方式。田四明等人［2］基于太原市铁路枢纽西南环线东晋隧道盾构工程的设计与施工过程，从工程的地理土层信息及地下水相关特质等方面，对盾构进行适应性设计。金张澜等人［3］通过清华园隧道项目，对隧道现浇方案和预制方案进行比选分析，并对隧道全预制方案做重点分析。索晓明等人［4］以北京地下大直径盾构隧道工程为基础，重点介绍了该盾构隧道的选型比较，管片结构计算和隧道防护设计等技术。李光耀［5］总结了狮子洋隧道大直径盾构穿越复合地层的施工技术，从盾构机配置、实时注浆、挖掘参数及状态控制等方面，提出大直径盾构穿越复合地层的施工技术。彭勇［6］通过分析广州地铁六号线二期盾构工程中存在的复合地层施工风险问题，介绍了盾构掘进中遇到上软下硬基岩凸起地层的辅助施工措施。SHAHRIAR 等人［7］以Nosoud 输水管道为背景，运用风险最小化的优化决策方法进行选型，较合理解决了地下施工过程中遇到的岩土风险。EDALAT［8］利用多指标分析方法（Multi Criteria Analysis），基于德黑兰市地铁二号线的技术方法、经济指标与环境因素进行分析，确定重要相关参数，得出盾构选型结果。

综合以上研究发现，相关学者已针对内陆洪、沉积地层以及软硬复合地层条件下，盾构的施工技术进行了初步研究，并就盾构设备的选型以及隧道结构的设计提出了针对性的策略。然而，目前很少有针对海域超软土地层条件下，超大直径盾构施工的关键技术及重难点的系统研究。事实上，海域环境下的软土变形模量小、透水性差、易流变，大直径盾构在此种地层中掘进时存在很大的风险（尤其当盾构覆土较浅时）。为此，本文依托横琴杧洲隧道，依据该项目的工程特点，并分析海域软土的固有性质，提出盾构机的选型原则和隧洞结构设计原理，充分考虑超软土的力学性能、地层的不确定性特性和施工过程的复杂性特点，提出超软土、超大直径盾构隧道建设过程中的重难点及关键技术。本文的研究可作为以海域超软土地层条件下，盾构隧道的安全掘进施工提供借鉴和参考。

1 工程背景

1.1 广东省珠三角地区大直径盾构隧道建设现状

我国地域辽阔，因此交通运输的规划与发展问题非常重要。尤其是珠三角地区，水路众多，联通各城市区域之间的水路隧道尤为重要。国家通过兴建多项隧道工程项目，对交通运输问题有了很大的改进。我国珠三角地区断面尺寸大于10 m 以盾构法为主的水下隧道建设现状如表1所示。

表1 珠三角地区水下大直径盾构隧道建设现状［9］Tab.1 Construction Status of Underwater Large Diameter Shield Tunnel in Pearl River Delta［9］

1.2 横琴杧洲隧道工程概况

杧洲隧道工程位于珠海市洪湾区和横琴新区之间。工程跨过马骝洲水道，南侧靠近厚朴道、北侧靠近环港东路，项目起点位于环港东路十字路口，终点位于厚朴道-胜洲九路交叉口。线位整体上呈南北走向，北岸接线道路接洪湾片区环港东路，起点位于洪湾大道预留地面辅路交叉口，接线道路下穿洪湾大道主线桥梁；而后以地面形式向南敷设。隧道主体在联港三路、联港四路和渔港南路采取明挖施工；南岸接线段接至胜洲七路交叉口北侧；隧道主体以盾构方式穿越马骝洲水道，采用双管单层构造，大部分水下盾构段位于圆曲线位置；北岸在联港二路至渔港南路段、南岸在胜洲十一路至胜洲十路段设置地面辅路，如图1所示。

图1 隧道工程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Tunnel Engineering

本项目主体为双管单层盾构隧道，按规划左线隧道线路全长1 995 m，需要采用盾构的施工段长945 m；按设计右线隧道线路全长2 032.149 m，需要采用盾构的施工段长978.776 m。隧道外直径按设计取14.5 m，内直径按设计13.3 m，构件宽度取2.0 m，隧道底埋藏深度20～39 m，最大坡度4.8%，最小转弯半径800 m。

1.3 杧洲隧道工程及水文地质概况

本工程所处的地层有大海陆地交互相沉积层、砂岩残积土和下伏的相关风化砂岩，如表2所示。根据岩土层的年份长短、深浅及风化情况可将工程地质层划分为5个层次，地层编号依次为①、②、③、④和⑤，若干亚层可由岩土层的物理特性及力学性质决定划分。

表2 隧道地质情况Tab.2 Geological Conditions of Tunnel

盾构穿越海域超软土地层复杂，盾构隧道主要穿越②1淤泥、②2黏土、②3粉质黏土、②4淤泥质黏土，在局部盾构埋藏较深或基岩埋藏较浅处，会涉及④碎石质粉质黏土、⑤1全风化砂岩、⑤2强风化砂岩，如图2所示。根据盾构隧道沿线地质情况可表明，隧道南北岸明挖段、南岸工作井及盾构段均位于第四系海陆交互相沉积层②1层淤泥，该土层有吸水量高及收缩性高等特征。在外部荷载或振动条件下，该土层易产生不均匀沉降和固结变形。

图2 下穿马骝洲水道区间地质剖面Fig.2 Geological Profile of the Section under the Maliuzhou Waterway

2 盾构机选型分析

常用的盾构机类型包括土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机，盾构机选型的目的是确保盾构掘进过程中“稳得住、掘得进、排得出”。为此，依据工程的地质条件和水文条件，以地层粒径、渗透系数、地下水压为依据，综合确定盾构机的类型及配置。

2.1 根据地层粒径进行选型

在不进行渣土改良的情况下，土压平衡盾构最适应的地层粒径范围为0.2 mm 以下，最多可以上延到1.5 mm 地层粒径范围，而泥水盾构的粒径适应范围下起0.01 mm，上至80 mm。

本次穿越海域超软土层的隧道工程主要采用盾构法施工，管片外直径为14.5 m，单个圆形盾构，隧道底部埋藏深度20.0～39.0 m，主要在②1淤泥、②2黏土、②3粉质黏土、②5粗砂中掘进，在局部隧道埋藏较深或基岩埋藏较浅处，会涉及④碎石质粉质黏土、⑤1全风化砂岩、⑤2强风化砂岩。沿线地层总体上有利于盾构掘进施工，但应重视岩石全～强风化带中还存在中～微风化残留体。对盾构穿越区进行颗粒取样分析，颗粒粒径小于0.02 mm 的占64.61%，颗粒直径在0.02～0.08 mm 的占16.37%，颗粒直径在0.08～0.29 mm 的占11.56%，颗粒直径大于0.29 mm的占7.08%。故依据地层粒径选型，泥水盾构和土压盾构均适应本项目地层。

2.2 根据土体渗透系数进行选型

根据经验，当地层的渗透系数小于10-7m∕s，宜采用土压平衡盾构，当地层的渗透系数大于10-4m∕s 时，宜采用泥水盾构，当渗透系数在10-7～10-4m∕s之间时，即可采用泥水盾构也可采用土压平衡盾构［10］。根据地质探测结果，本项目各土层的渗透系数如表3所示。通过统计可知渗透系数基本分布在10-7～10-4m∕s 之间，可采用泥水盾构也可采用土压平衡盾构。

表3 各土层渗透系数Tab.3 Seepage Coefficient of Various Soil Layers

2.3 根据地下水压进行选型

土压平衡盾构工作原理，是采用动力输送机出渣，地层的压力经过土仓、螺旋输送机逐步衰减后，需要在到达螺旋输送机排渣口前压力降为大气压，否则就会发生喷涌。泥水盾构前有泥膜防止地层中水的流失，后有排泥泵保压出渣，所以泥水盾构对高水压、高渗透性的地层具有土压平衡盾构不具备的优势。一般当地下水压小于0.3 MPa时，宜采用土压平衡盾构，当地下水压大于0.3 MPa时，宜采用泥水盾构［11］。

本次项目盾构埋深16.0～35.0 m，据蕴含的水介质特征和地下存储水条件，沿线地下水类型主要以第四系松散岩类孔隙水为主。同时工程地下也以基岩裂隙水为主，水位埋深标高为0.36～3.99 m，工作区内地下水动态变化不仅受季节降雨影响，而且由于临近海域水流通道，地表水也会调节其动态变化。而本次工程的最大的水土压力达到了0.366 MPa，因此从地下水压考虑，宜选用泥水平衡盾构。

2.4 最终选型

在施工工艺、经济指标、施工进度以及现场施工环境等方面，土压平衡盾构和泥水平衡盾构都有所差异，将两种盾构的各项特点进行综合对比分析。从以上分析可得出：泥水平衡盾构机能抵抗较高的水压，洞内运输设备简单，但需要较大的始发井场地来运输泥水处理设备，其机械造价高于土压平衡盾构，更适用于高水压、长距离和大断面的隧道工程。土压平衡盾构抵抗高水压能力不如泥水平衡盾构，但其螺旋输送机出碴施工速度快，无泥水处理设备，只需要小面积始发井，机械造价较泥水平衡盾构低，更适用于水压不高、覆土较浅、断面相对较小的隧道工程。为此，本项目选用混合式泥水平衡盾构机［12］。本工程盾构段设计外直径达14.5 m，盾构机施工作业直径达15.01 m，因此本次工程属海域超软土层超大直径盾构隧道工程，如图3所示。

图3 泥水平衡盾构机示意图Fig.3 Schematic Diagram of Slurry Balance Shield Machine

3 盾构结构及软基加固设计

为了应对横琴杧洲隧道工程穿越马骝洲水道相应水文地质环境，对该区间的管片结构进行了相关适应性设计，采用设计通用环管片，独一层装配式衬砌。共采用10 分块，包含1 封顶块、2 邻结块和7 标准块。混凝土等级C60，管片最大弧长5 057 mm，最大分块重量14.54 t，采用错缝拼装。同时对管片的防水采用抗渗等级P12，对盾构段中软基部分加固做相关设计安排。

3.1 管片设计

隧洞外衬采用预先制备管片，外直径为14.5 m，内直径13.3 m，部件管片厚0.6 m，构件环宽2.0 m。在连接处，管片通过螺栓连接。在盾构机推进的同时，安装口字形预制构件，同时应建立施工通道来满足管片等相关材料的运输。相隔掘进面一定距离后，用混凝土逐步填实口字形预制构件两侧空间。待盾构隧道变形、沉降稳定后，绑扎现浇车道板及基座钢筋，现浇防撞侧石。衬砌管片有1块封顶块，编号为（F）。构件有2 块邻接块，编号为（L1、L2）。部件还有7 块标准块，编号为（B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7）。管片外弧最长为5 057 mm，最大分块重约为14.54 t，如图4所示。

图4 管片结构设计Fig.4 Segment Structure Design

3.2 防水设计

可通过相应注浆方式充填构件与土体之间空隙，起到防水保护的作用。当采用同步注浆时，添加合适的水泥浆材质等材料。当二次注浆时，可采用水泥浆成双液浆来为减缓浆材硬化收缩，所有的注浆材料皆宜掺加一定量的微膨胀剂；可用弹性密封垫（2道）、外侧海绵橡胶条以及内侧嵌缝等方式来达到衬砌接缝防水，以此来应对管道工作压力大、施工环境水面宽且处于海底下等情况。

3.3 盾构段软基加固设计

⑴陆域浅覆土段，当隧道遭埋深小于0.7D时，为保障盾构推进安全，盾构拱顶以上3.0 m 范围采用高水泥掺量满堂强加固，盾构拱顶以下采用高水泥掺量格栅强加固，盾构拱顶以上3.0 m 至地面采用低水泥掺量弱加固。为节约投资，盾构顶部至地面软基加固采用满堂加固型式，盾构顶部至淤泥层底部软基加固采用格栅加固型式，纵向支撑间距2.4 m。海域软土层加固采用φ850@600 三轴搅拌桩，强加固范围为拱顶以上3.0 m、两侧3.375 m，底部穿透②1层淤泥不小于1.0 m，水泥掺量暂定为20%；弱加固范围为盾构拱顶以上3.0 m至现状地面，水泥掺量为8%。

⑵海堤段，海堤段盾构软基加固采用φ2 000MJS工法桩，格栅加固，加固范围为盾构拱顶以上3.0 m、两侧2.85 m，底部穿透②1层淤泥不小于1.0 m，水泥掺量暂定为40%。

⑶水域段软基，水域段盾构软基加固采用φ1 300@1 000 深层水泥土搅拌桩，格栅加固，加固范围为盾构拱顶以上3.0 m、两侧3.0 m，底部穿透②1层淤泥不小于1.0 m，水泥掺量暂定为20%，盾构拱顶以上3.0 m至河床部分的空钻段采用8%水泥掺量弱加固。

4 施工难点

4.1 超软土超大直径盾构隧道的开挖面稳定性控制

杧洲隧道是海域软土地层超浅埋泥水平衡盾构隧道，控制泥水舱中的泥浆压力来维持开挖面的稳定是保证泥水盾构施工的关键技术。泥浆压力过小时，开挖面前方土体将塌入到泥水舱内，开挖面发生主动失稳（见图5），刀盘无法继续转动，盾构机停止掘进［13］；而如果泥浆压力过大，轻则会造成地层隆起，开挖面被动破坏，重则会造成泥浆劈裂地层，与地表或江底形成连通，造成泥浆流失，甚至引发地表塌陷和江水倒灌等重大事故。由于软土的强度低，其开挖面主动破坏和被动破坏时的极限支护压力都较小，施工时支护压力可调节的范围也较小，应进行掘进参数的动态、实时监测与调整，保证施工安全。

图5 开挖面稳定性数值模型Fig.5 Numerical Model of Excavation Face Stability

4.2 超大直径盾构隧道近距离并行掘进安全控制

杧洲隧道为双管平行盾构隧道，最小转弯半径800 m，左右线盾构线间距最小0.7D，最大不到1.7D。如图6 所示，在线间距较小的情况下，易于产生应力传递，后施工隧道容易造成成型隧道结构位移和变形，保证隧道稳定性的难度较大。应先通过理论和数值计算分析，研究大直径平行盾构施工的相互影响机理，并探寻考虑平行盾构隧道施工相互影响的盾构掘进参数控制方法。

图6 杧洲工程并行隧道数值模型Fig.6 Numerical Model of Parallel Tunnel of Mangzhou Project

4.3 软土地层超大直径盾构隧道管片结构抗浮控制

大直径盾构隧道自身所受浮力和管片重量差距增大，隧道结构易发生上浮。影响施工过程盾构管片上浮的因素包括盾构施工工艺的特性、壁后注浆工艺、注浆浆液的特性、盾构机掘进姿态、盾构施工地层条件、隧道的上覆土厚度以及管片拼装的形式等。应对这些影响因素进行整体考虑，采取综合措施控制施工期的隧道上浮［14］（见图7）。

图7 杧洲隧道抗浮数值分析模型Fig.7 Numerical Analysis Model of Anti-floating of Mangzhou Tunnel

4.4 软土地层超大直径盾构掘进姿态控制

横琴杧洲隧道开挖地层有较深的淤泥质软土，存在盾构姿态难控制的问题，每一环盾构姿态改变过大，会降低盾尾油脂密封的能力。实际工程轴线与规划轴线偏离越大，引发的地层损耗也越大。施工段地表沉降的趋势基本同盾构实际工程轴线与规划轴线偏差的趋势相同。当盾构姿态不良时，盾构管片的拼装精度也将大大降低，管片的不均匀受力会导致在施工期就出现管片破裂、错台等问题。因此，盾构姿态的精准控制是保证工程质量的关键技术之一。可引入深度强化学习技术，以完成掘进段的掘进参数、地质参数、盾构姿态等数据作为数据学习样本库，随着工程的推进实时更新数据样本库，并基于卷积神经网络和长短时记忆网络建立混合深度学习模型，确定模型输入、输出参数以实现盾构姿态在线预测和控制。

4.5 超大直径盾构掘进过程中地层不确定性风险

参考邻近的马骝州第三通道工程经验，本区域所在场地的地质条件复杂，各地层分布不均，岩层面起伏变化大，勘探孔未必能完全反映隧址的实际地质情况，后续可能会需增加工程措施解决岩层面变化大的问题，从而影响施工安全、进度或增加造价。应在岩面起伏较大的区域加密勘探孔，必要时可在基岩凸起处提前进行水下爆破处理。

5 结论

本文以横琴杧洲隧道为工程依托，重点讨论了海域超软土条件下超大直径盾构隧道工程中盾构的选型原则及隧道管片结构的设计问题，并提出了针对性建议。针对超软土的特殊力学性质，提出盾构掘进过程中面临的重难点问题，并提出相应的应对策略。研究得到的主要结论如下：

⑴盾构选型要基于地层粒径、渗透系数及地下水压三方面的分析做出综合判断。根据本工程的地质及水文条件，最终选择混合式泥水平衡盾构机，该盾构机的开挖直径可达15.01 m，管片外径达14.5 m。衬砌管片选用1块小封顶块、2块邻接块和7块标准块的组合形式，管片错缝拼装并采用螺栓连接。

⑵针对海域环境的特殊水力条件，衬砌管片应做专门的防水设计以确保管片的相对密封性能。鉴于软土的高压缩性和流变特征，盾构掘进之前应对地层进行加固处理。陆地覆土段建议采用三轴搅拌桩满堂加固方式，海堤段采用相应工法桩格栅加固方式，海域段采用相应深层水泥搅拌桩格栅加固方式。

⑶针对海域超软土地层条件，提出超大直径盾构隧道的开挖面稳定性控制、近距离并行掘进安全控制、管片结构抗浮控制、掘进过程姿态精细化控制等施工关键点和难点，并针对这些问题，提出了相应的解决途径。